MÓDULO I AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS ÍNDICE ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................................... 3 PALABRAS CLAVES...................................................................................................................................................... 3 PRINCIPIOS FÍSICOS RELACIONADOS CON LA NEUMÁTICA E HIDRÁULICA................................................... 4 PRESIÓN........................................................................................................................................................................... 4 PROPAGACIÓN DE LA PRESIÓN – PRINCIPIO DE PASCAL..........................................................................6 CAUDAL............................................................................................................................................................................. 7 LEY DE LOS GASES IDEALES................................................................................................................................... 7 LEY DE GAY LUSSAC....................................................................................................................................................8 TIPOS DE COMPRESORES....................................................................................................................................................9 CÁLCULO DEL FACTOR DE CARGA, DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL COMPRESOR............... 10 CONVERSIÓN DE VOLUMEN EN CONDICIÓN AMBIENTAL A VOLUMEN ESTÁNDAR DE ACUERDO CON DIN 1343....................................................................................................................................................................................... 11 CARACTERÍSTICAS DEL ACUMULADOR, DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DEL DEPÓSITO, POR CÁLCULO DE PARÁMETROS OPERATIVOS O SEGÚN ÁBACO GRÁFICO.................................................................. 12 DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA. POR CÁLCULO MATEMÁTICO, TABLAS O USO DE ÁBACOS GRÁFICOS, CONSIDERANDO FLUJO VOLUMÉTRICO, PRESIÓN DE SERVICIO, LARGO DE TUBERÍA Y CAÍDAS DE PRESIÓN............................................................................................................................................ 14 TECNOLOGÍA DE VÁLVULAS............................................................................................................................................... 16 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS EN INSTALACIONES DE CONTROL INDUSTRIAL................................................................................................................................................................................17 CILINDRO DE SIMPLE EFECTO...............................................................................................................................17 CILINDRO DE DOBLE EFECTO................................................................................................................................ 18 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DEL CILINDRO (SEGÚN PRESIÓN Y DIÁMETRO DE LA CAMISA).... 19 FUERZA TEÓRICA DEL ÉMBOLO........................................................................................................................... 19 FUERZA EFECTIVA DEL ÉMBOLO PARA CILINDROS DE SIMPLE EFECTO.......................................... 19 FUERZA EFECTIVA DEL ÉMBOLO PARA CILINDROS DE DOBLE EFECTO.......................................... 20 CIERRE........................................................................................................................................................................................ 22 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................................................................... 23 2 INTRODUCCIÓN La energía neumática se ha aprovechado desde hace muchos años, se puede observar en los molinos y también veleros. La palabra neumática proviene del griego “Pneuma” que significa aire o respiración, también los griegos lo asociaban al alma. Actualmente, la neumática está más, enfocada en sistemas industriales y esta es parte de la ciencia que observa las propiedades de los gases. La neumática es una parte fundamental de los procesos productivos en nuestros días, las plantas industriales se utilizan sistemas se control de tipo electroneumáticos para realizar el funcionamiento de las diferentes maquinas en la fabricación, líneas de ensamblaje o máquinas de envasado. Por otro lado, la hidráulica corresponde a aquel campo de estudio que se encarga de observar el comportamiento de los fluidos, el centro de la hidráulica es poder generar fuerzas y movimientos por medio de aceites, la hidráulica industrial también se puede conocer como oleo hidráulica. En diversos sectores industriales de ha utilizado con éxito la hidráulica, los campos de trabajo se pueden dividir en hidráulica móvil (excavadoras, tractores, maquinas del sector agrario, brazos mecánicos) e hidráulica estacionaria (Tornos, fresas, prensas, máquinas de fundición por inyección). PALABRAS CLAVES Automatización, Neumática, Hidráulica. 3 ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS PRINCIPIOS FÍSICOS RELACIONADOS CON LA NEUMÁTICA E HIDRÁULICA PRESIÓN FIGURA 1: PRESIÓN La presión se define como una fuerza aplicada sobre un área, por el sistema internacional de medidas, la presión corresponde a la fuerza vertical de 1 Newton (N) sobre la superficie de 1m2, esto da como resultado la presión en la unidad pascal (Pa). Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel LA FÓRMULA GENERAL PARA CALCULAR LA PRESIÓN ES: MÓDULO I FIGURA 2: ALTA Y BAJA PRESIÓN 4 FIGURA 3: TABLA DE CONVERSIÓN DE UNIDADES DE PRESIÓN 5 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS PROPAGACIÓN DE LA PRESIÓN – PRINCIPIO DE PASCAL FIGURA 4 PRINCIPIO DE PASCAL Si se aplica una fuerza F 1 en la superficie A 1 de un fluido contenido en un recipiente, se obtiene una presión p que se propaga con igual intensidad en todas las direcciones (ley de Pascal). La presión es la misma en cualquier parte del sistema. Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel FIGURA 5 PROPAGACIÓN DE LA PRESIÓN En un sistema cerrado, la presión es la misma en cualquier parte, sin importar la forma del recipiente. Si un recipiente tiene la forma que se muestra en la Figura, es posible multiplicar la fuerza. La presión del fluido puede describirse mediante la siguiente ecuación: Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel MÓDULO I 6 CAUDAL FIGURA 6 CAUDAL Se entiende por caudal el volumen de líquido que fluye a través de un tubo en un determinado tiempo. Por ejemplo, para llenar un cubo de 10 litros con agua del grifo, se necesita más o menos un minuto. En ese caso, el caudal del grifo de agua es de 10 l/min. Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel LEY DE LOS GASES IDEALES Por las propiedades del aire, es decir, su baja cohesión entre sus partículas, el aire no tiene una forma determinada y es capaz de cambiar ante la mínima fuerza, y es capaz de comprimirse o expandirse. La ley de Boyle-Marriote indica la relación que existe entre estas propiedades: “el volumen de una cantidad determinada de gas contenida en un deposito cerrado es inversamente proporcional a la presión absoluta suponiendo una temperatura constante. FIGURA 7 LEY DE BOYLE-MARRIOTE Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel 7 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS LEY DE GAY LUSSAC La ley de Gay-Lussac explica que cuando el aire expande su volumen en 1/273, se debe considerar que la a presión constante y con un incremento de temperatura de 1°K indica que: Mientras la presión se mantenga constante, el volumen de un gas dentro de un depósito cerrado es proporcional a la temperatura absoluta Es decir: MÓDULO I 8 TIPOS DE COMPRESORES Para poder seleccionar de forma correcta un compresor, es necesario conocer la presión de trabajo y la cantidad de aire necesario para el proceso. Los compresores se pueden clasificar según su tipo de construcción. FIGURA 8 TIPOS DE COMPRESORES Fuente: Kaeser Compresores www.kaeser.com 9 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS CÁLCULO DEL FACTOR DE CARGA, DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL COMPRESOR Para realizar la correcta selección y determinar la capacidad del compresor, es importante conocer los valores de volumen estándar y volumen normal de aire Volumen Estándar de acuerdo con norma DIN 1343: Temperatura: 0°C = 273,15°K Presión: 1,01325 bar (a nivel del mar) Humedad: 0% Volumen Estándar de acuerdo con norma DIN-ISO2533: Temperatura: 15°C = 288,15°K Presión: 1,01325 bar (a nivel del mar) Humedad: 0% Volumen Libre en las condiciones de entrada: Temperatura: Temperatura Ambiente Presión: presión Ambiente Humedad: Humedad Ambiente Los volúmenes de entrega de los compresores de desplazamiento positivo son dados siempre en volúmenes libres MÓDULO I 10 CONVERSIÓN DE VOLUMEN EN CONDICIÓN AMBIENTAL A VOLUMEN ESTÁNDAR DE ACUERDO CON DIN 1343 Ejemplo de calculo 11 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS CARACTERÍSTICAS DEL ACUMULADOR, DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DEL DEPÓSITO, POR CÁLCULO DE PARÁMETROS OPERATIVOS O SEGÚN ÁBACO GRÁFICO FIGURA 9 ACUMULADOR El acumulador neumático está compuesto por una válvula check(1), un manómetro (2), el estanque acumulador (3), una válvula para el drenaje (4) y una válvula de seguridad (5). Para realizar el calculo del volumen del deposito se utilizará la siguiente tabla: en la cual por un lado se tiene el caudal de salida, las diferencias de presión, las conmutaciones por hora del sistema y el tamaño del depósito. Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel MÓDULO I 12 FIGURA 10 DIMENSIONES DEL ACUMULADOR Fuente: Fundamentos de Neumática y Electroneumática, Frank Ebel 13 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS Determinación del diámetro de la tubería. Por cálculo matemático, tablas o uso de ábacos gráficos, considerando flujo volumétrico, presión de servicio, largo de tubería y caídas de presión Para garantizar la instalación de un sistema neumático considerando las tuberías, siempre debe tenerse en cuenta que esta pueda ampliarse en el futuro, por lo tanto, se recomienda que la tubería troncal tenga un diámetro superior, también es recomendable instalar tapones y válvulas de cierre adicionales. Todos los tubos producen perdidas, debido a la resistencia que se opone al flujo, el compresor debe compensar esas pérdidas. FIGURA 11 DISTRIBUCIÓN TUBERÍAS Fuente: Libro Actuadores neumáticos - FESTO MÓDULO I 14 FIGURA 12 NOMOGRAMA DIÁMETRO DE TUBERÍA Fuente: Libro Actuadores neumáticos - FESTO 15 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS TECNOLOGÍA DE VÁLVULAS Las válvulas distribuidoras son utilizadas para poder distribuir o desviar los caudales de aire comprimido, por la normativa DIN-ISO 1219, el sentido de dirección del aire está determinado por una flecha, los accionamientos pueden ser de tipo manual, neumático o eléctrico. FIGURA 13 VÁLVULA 3/2 CON ACCIONAMIENTO MANUAL, NEUMÁTICO Y ELÉCTRICO Fuente: Elaboración propia con Software FluidSIM V6 MÓDULO I 16 DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS EN INSTALACIONES DE CONTROL INDUSTRIAL Cilindro de Simple Efecto Los cilindros de simple efecto se caracterizan por recibir aire comprimido o aceite (depende si la tecnología es neumática o hidráulica) por un solo lado, por lo tanto, estos actuadores solamente pueden realizar fuerzas en un sentido, para realizar el retroceso, estos actuadores incorporan un resorte o muelle de retorno. FIGURA 14 SIMBOLOGÍA CILINDRO DE SIMPLE EFECTO FIGURA 15 CILINDRO DE SIMPLE EFECTO RETRAÍDO FIGURA 16 CILINDRO SIMPLE EFECTO EXTENDIDO Fuente: Fundamentos de Hidráulica y Electrohidráulica, Frank Ebel 17 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS Cilindro de Doble Efecto El cilindro o actuador de doble efecto con respecto a la construcción, es similar al de simple efecto, sin embargo, el cilindro de doble efecto no tiene un muelle de reposición, debido a que el actuador de doble efecto posee dos conexiones las cuales se utilizan para alimentar y realizar los movimientos de avance y retroceso. Este actuador es capaz de realizar trabajos en ambos sentidos. FIGURA 17 SIMBOLOGÍA CILINDRO DE DOBLE EFECTO FIGURA 18 CILINDRO DE DOBLE EFECTO RETRAÍDO FIGURA 19 CILINDRO DE DOBLE EFECTO EXTENDIDO Fuente: Fundamentos de Hidráulica y Electrohidráulica, Frank Ebel MÓDULO I 18 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DEL CILINDRO (SEGÚN PRESIÓN Y DIÁMETRO DE LA CAMISA) El rendimiento de los actuadores es posible calcularlo o consultarlo en tablas con la información técnica que ofrece el fabricante, en nuestros días además, existen softwares que permiten una selección más rápida de los elementos requeridos para una instalación en función del consumo de aire y la fuerza requerida para los movimientos del actuador. Fuerza Teórica del émbolo La fuerza aplicada sobre el embolo depende de factores como la presión del aire/aceite, el diámetro del actuador y además de la resistencia que poseen los elementos propios de la construcción, estos principalmente por fricción. Para calcula la fuerza teórica se utiliza la siguiente formula: Fuerza efectiva del émbolo para cilindros de simple efecto 19 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS Fuerza efectiva del émbolo para cilindros de doble efecto MÓDULO I 20 21 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA E HIDRÁULICA CIERRE La importancia de los sistemas neumáticos e hidráulicos en el sistema y el correcto dimensionamiento de estos ha permitido a la industria productiva obtener una mejor eficiencia y un mejor uso de recursos. Así también, el uso de estas tecnologías ha representado un avance con respecto a la ergonomía de los operarios de las plantas productivas, ya que los sistemas neumáticos e hidráulicos han reemplazado los movimientos repetitivos que anteriormente realizaban las personas. 22 22 Renate Aheimer,Christine Loffler, Dieter Merkle, Georg Prede. (2013). Fundamentos de Hidráulica y Electrohidráulica Reyes, F., Cid,J., Vargas, E.,(2013) Mecatrónica Control y Automatización, México; Alfaomega. Cengel, Yunus A.(2006) Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones, México: McGraw Hill. 23 BIBLIOGRAFÍA Frank Ebel, Siegfried Idler, Georg Prede, Dieter Scholz. (2009). Fundamentos de Neumática y Electroneumática AUTOMATIZACIÓN, NEUMÁTICA E HIDRÁULICA ACTUADORES NEUMÁTICOS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS